城市多災種關聯框架與鏈式網絡的構建思路與方法*

王 威,瞿孜諾,郭小東,馬東輝

(北京工業大學 城市建設學部,北京 100124)

0 引言

通過分析大型災害發生過程的成因與演變可以發現,巨災發生后慘重的傷亡和損失并不是由單一災種所釀造[1],在地質構造、地形地貌、氣候條件、植被與水文等自然要素綜合作用下[2],多種災害在時空一致的條件下,容易相互關聯構成連鎖機制,復雜的多災系統放大了首發災害的影響力,使得災損非線性累積惡化,人們逐漸意識到多災種關聯后的綜合危險會向城市的生存發出警告。

目前,國內外災害領域研究的總趨勢正從單災種致災過程向綜合風險研究方向推進[3],多災種的研究對于城市安全保障和經濟社會可持續發展具有重要意義,面對綜合風險評估的多災種內在關聯和綜合致災機制是當前相關領域內的研究重點,也是綜合風險評估研究的基礎內容[4],這對多災關聯的全面識別與分析處理方法提出了更高的要求。本文通過厘清災害之間的關聯類型,建立系統性的作用關系框架,并提供1種可復制的多災關聯框架的構建方法,在多源數據支撐下宏觀可視化某城市多災種關系體系和鏈式觸發現象。研究結果可為災害情景模擬等綜合風險評估方法研究提供一定參考。

1 概念辨析

1.1 多災種風險與相互作用

由于認知角度的多元性以及對相互作用理解方面觀察角度的不同,目前多災種的概念術語系統變得更為模糊[5],相對單災種概念,多災種是指多種致災因子在特定時段特定地點并存、并發的情況,或者理解為多種形式災害的疊加,一般表現為多種致災因子在時空條件一致情況下的綜合風險[6],致災因子復雜的危險性是影響多種災害風險水平的主要因素之一。

災害之間的時空關系、相互作用機制和觸發環境等較為多變,汪嘉俊等[7]將多災種情形劃分為災害事故相互增強、災害事故互斥削弱、災害事故互不影響3類,建立包含自然災害以及事故災難的覆蓋面較廣的多災種概念框架;明曉東等[8]從相互作用、發生時間、影響范圍和致災效果4個角度呈現多災種概念,認為不同致災因子之間存在相互獨立、相關關系、因果觸發3種關系。Melanie等[9]提出多災種相互作用的3種類型:1種災害可能通過級聯效應導致另1種災害,2個或2個以上的危險可能同時影響同1個地區,以及其危害可能依次影響同1個主體或物體進而導致累積效應;李宏男等[10]對結構可能遭受的多災種進行抗災設計,將其可分為連續型災害、獨立型災害和并列型災害;Tilloy等[11]將災害相互關系劃分為觸發、改變條件、復合、獨立和互斥5類,并總結出隨機模型、經驗模型和機理模型3種作用關系的量化方法。綜上所述,由于認知角度的多元性,現有研究中災害相互關系術語存在內涵上的重合和不一致,缺乏普適性的術語框架對災害間的關系進行全方位概括。

1.2 多災種關聯框架

多種災害的作用關系對于多災種風險評估和綜合防災減災領域的研究較為重要,對于城市多災種相互作用的研究,目前仍缺乏系統化、普適化的可視化表達方式。蓋程程等[12]在危險源耦合評估過程中考慮了災害之間的相互作用,通過數字大小表示多災聯大小,但在相關領域內還尚未出現解釋性的關聯量化方法。本文通過文獻調研和內容篩選,將城市潛在的自然災害相互作用進行矩陣形式的可視化數據庫整理,形成“城市多災種關聯框架”,結合來自自然科學和社會科學領域的多源數據總結多災種的相互作用[13],展示出相對全面、系統、有充足參考說明的多災關系,進而通過已有數據進行災害鏈的案例研究,識別多災種之間的觸發潛力,可以在給定首發災害的前提下,圖形化展示多災種相互作用鏈式情景。

2 多災種相互作用關系與量化方法

通過對災害間關聯大小的分析衍生相互作用,總結出災害之間存在3種關聯程度,分別是以前后因果為基準的強關聯、以致災因子關聯為主的弱關聯以及毫無關聯。通過廣泛地閱讀文獻、提取概念、分析案例,總結出4種作用關系:級聯災害、并發性災害、存在潛在影響和獨立性災害,并結合災害時間上的演化細分成4種過程性相互作用關系。

2.1 級聯觸發

災害之間強關聯關系以因果關系為基礎,可以概括為級聯觸發,又稱“災害鏈”或“鏈發關系”。例如,山區強降雨誘發滑坡災害,即首發災害的發生引發了其他次生災害的現象,是1種典型的復合災害,觸發的可能性與孕災環境的變化規律密切相關。從次生災害類型上看,同種類型不同強度的災害之間會相互觸發,例如主震與余震的關系,同類型的觸發施以承災體第2次更嚴重的創傷,災情產生累加效應。另外,較為嚴重的首發災害在改變了次生災害的孕災環境后,結合承災體的脆弱性,便能級聯觸發其他類型的單種或多種災害,形成鏈發效應,多類災害極易擴大災情的空間范圍。例如,“暴雨-滑坡-泥石流-堰塞湖-洪澇”災害鏈,受災范圍從山體逐漸轉移到河流和城市。地震通過對地面的強烈震動誘發不穩定的山體出現崩塌、滑坡等災害,承災范圍由地震源轉移到山體再轉移到人口聚集地。該類災害關系影響較大,蘊含著復雜的災變機理,呈現出災害系統的復雜性,是當前災害領域研究的關鍵問題。

2.2 并發性災害

并發性災害又稱群發性災害,因果關系在2種災害本身之間無明顯體現,但由于地質環境和承災體等時空關聯特征,由于致災因子顯著的相關性或因果關系,從而經常出現“崩塌-滑坡”“臺風-暴雨”等2種或多種災害在同1個地點同時或前后爆發。在特定的孕災環境下,結合承災體脆弱性與暴露性,并發性災害產生的災情影響是復合性的,無法進行單種災害影響的疊加,該類復合的相互作用會通過強度的增加造成對承災體更大強度的影響,另外由于承災體的脆弱性與其狀態的復雜演化可能會導致更為嚴重的后果[14]。

2.3 存在潛在影響

在更多情況下,1種災害風險會通過對環境條件的影響,提高第2種風險的發生概率,該種關系存在的因素是時間尺度,較大的災害對孕災環境的影響是增加次生災害發生的可能性,即2種災害存在弱相關的潛在關系。例如,森林火災可能會剝去某地植被并使土壤硬質化,通過增加液體流速從而增大洪水的發生的概率和強度,并結合夏季暴雨容易導致泥石流。例如,2022年4月在新墨西哥州旗桿市1場野火燒毀大面積森林和土地,之后當地又出現強降雨天氣,在沒有植被蓄水防洪的情況下,導致旗桿市發生多輪山洪暴發[15]?？梢?森林火災通過改變孕災環境增加次生災害發生的可能性。另外,地面沉降也會增加洪水的發生概率。

2.4 獨立性災害

由于孕災環境的差異性,不同災害之間的關系較為微弱,如若在時空一致的條件下同時發生,可歸結為人為原因或偶然,擁有該類關系的災害為獨立性災害。2種災害本身(致災因子)之間沒有任何依賴關系,只是出于巧合偶然發生于相近的空間和時間。例如,2010年,帕卡亞火山暴發和熱帶風暴阿加莎幾乎同時襲擊了危地馬拉的太平洋海岸線,導致由于火山灰堵塞排水系統,引發火山泥流,加劇了損害[16]。在該類別中,仍然包括2種災害在不同時間影響同1個地區的情況,例如,地震后幾周內發生的氣旋災害,火山噴發后發生強降雨等現象。

2.5 過程性多災種相互作用

自然災害系統內部結構的恒定是災害行為與環境一致的充分條件,災害的演化變異過程也反映出環境作用和內部結構變化的綜合性結果[17]。自然災害呈現的復雜性很大程度上來源于時間過程下的空間耦合機制,上述災害類型中復合型的災害關系涉及過程性的復雜情景,結合次生災害觸發效果,級聯觸發類型的災害關系可以分為引發單種單次災害和引發多次災害2種類型。最終得到過程性多災種的4種相互作用關系,分別為:首次災害級聯觸發1次次生災害、首次災害易級聯觸發多次次生災害、災害之間相關或存在影響、災害之間相互獨立。多災種相互作用關系類型如圖1所示。

圖1 多災種相互作用關系類型Fig.1 Types of multi-disaster interaction relationship

2.6 多災種作用關系的探索方法

在信息技術不斷發展的背景下,文本挖掘是提取有效信息主要方法之一。多災種之間的關系呈現出復雜、模糊和不確定等特征,進行識別與統計需要從現有的大規模文本信息中加以搜集和篩選。本文通過災害的共詞網絡統計來表征兩者的關聯程度,從而實現關系的量化與進一步可視化。具體是以檢索為手段,評估給定詞語對所屬語料庫中文件集的重復程度,認為重復度更高的2類或多類災害具有更強的關聯性,也更加接近真實的災種關系。

3 多災種關聯框架與網絡構建方法

3.1 構建自然災害分類矩陣

以我國國內現行標準《自然災害分類與代碼》[18],并作合理調整后確定出5大類33小類的災種體系,作為本文研究中樣本災種的識別依據,按順序排列形成方形矩陣,方便后續進一步關系頻次的填充。

3.2 數據收集、處理與集成

1)數據來源。制定某城市全面且有實證依據的多災種關聯框架需要大量文本數據支撐,以支持災害之間作用的系統識別,數據內容以城市歷史上的多種災害的發生情況為主,同時包容相似孕災環境下的其他災種聯合情景。表1所示為不同數據來源與示例,樣本主要來源于4個部分,分別是科研成果與公開報告(A)、媒體(B)、利益相關者(C)和其他(D)。其中,科研成果和公開報告相對更權威和準確,包括期刊文獻、碩博士論文、教科書、技術報告、數據庫以及相關政府官網災害新聞報告等,上述數據能夠更直觀地索引到災害之間的作用關系以及內在機理;媒體來源數據可以結合網絡、報紙、推文等多元信息,進行文章或新聞標題、內容中出現多種災害的檢索,并與科研報告的數據進行進一步比對和篩查;利益相關者是與當地政府、相關部門以及關聯居民進行直面或間接的訪談,研究人員需要根據經驗和與研究問題的相關性來選擇參與者,以保證數據的有效性;其他數據來源主要為地圖集和一些遙感圖集等,也需要謹慎選擇。

表1 數據來源與示例Table 1 Data sources and examples

2)文本數據轉換。各類來源和形式的數據需要進行歸一化的文本轉換工作,從而有條件實現全數據源的文本索引,本文數據來源A與B的數據形式可以直接進行檢索使用,數據來源C與D需要人工手動進行文本的撰寫與輸入,最終形成文本集形式的多災關系樣本。

3.3 詞頻與共現關系統計

本文使用微詞云分詞工具,從前文所形成的文本集中統計災害之間的共現率,將篩選詞典定義為33種自然災害,即可導出災害共詞矩陣,用于人為識別災害之間的作用關系,其次進行2種以上災害的共現情況的識別,探索災害鏈形式的多災網絡。共詞網絡分析結果可體現詞匯的共現情況,也可以更全面地分析關鍵詞之間的關聯和相關性,上述步驟中尤其注意對無效信息的剔除,多種災害共現并不一定說明兩者必定存在關聯。

3.4 多災種相互作用關系的對應矩陣填充

軟件生成的共現詞矩陣無法直接使用,需要進一步篩選,并進行可視化轉換,將共現頻次填充入共詞矩陣中。本文根據A和B為信息源導出有效的我國多災種共現情況,頻次結果呈現出以“左上-右下”對角線為對稱軸的對稱圖形,合并同類災種關聯組合,共獲得299條信息樣本,呈現出45種多災關聯組合,如圖2所示。

圖2 多災關系頻次在分類矩陣中的填充示例Fig.2 Filling case of multi-disaster relationship frequency in classification matrix

3.5 總結歸納關系框架與網格

不同城市有明顯的差異性,通過對上文得到的多組作用關系樣本進行梳理和關鍵詞識別,識別文本中“觸發” “引發” “導致” “誘發” “觸及” “引誘”等為級聯觸發的關鍵詞,災害共現以“并發” “伴隨”等為并發性災害關系,得到每組災害的具體關系類型,根據次生災害發生次數的判斷進而進行矩陣的關系類型填充。然后將共現詞超過2類的災害組別進行鏈式網絡的可視化梳理,構建靜態關系框架基礎上的動態網絡。

4 應用實例

4.1 研究區概況與災種分類

石家莊市域跨太行山地和華北平原2大地貌單元,地勢東低西高差距大,地貌復雜;西部太行山地,海拔在1 000 m左右,山巒重疊,地勢較高;地質環境特征復雜,潛在分布著影響范圍廣泛且突發性強的自然災害和大量不確定風險,是開展多災種研究的有效選擇。本文通過對石家莊市域范圍內可能發生的自然災害進行整體梳理與分類,最終得到4個災害分組,分別為:地質地震災害、水文災害、氣象災害、生物化學災害。在歷史數據擴展分類的情況下細分選定的災害,總結出石家莊市域可能性相對較大的災害類型共有19種。

4.2 石家莊市域多災種19×19關聯框架建立

獲得有效的多災關系樣本102條,構成多災組合46對。結合地質構造、地形地貌、氣候條件、植被與水文等自然要素的綜合作用,繼而通過關鍵詞識別和人工信息核對,填充具體的觸發等級和關聯等級,確定19×19多災種關聯框架如圖3所示,圖3中的縱軸與橫軸分別表示首發災害與次生災害類型。由圖3可知,屬于“首次災害易級聯觸發多次次生災害”關系有6個,屬于“首次災害級聯觸發1次次生災害”關系有22個,上述類關系多來源于河北省邢臺地震、2016年特大暴雨等石家莊市大型災害的總結研究報告和新聞報道中[19-21],68%條樣本與之相關,21%樣本證明石家莊市“暴雨-內澇”復合災害頻發,說明巨災的鏈發潛能大且更容易關聯各類災害,是多災研究的重中之重;屬于“2類災害之間可能并發或存在潛在影響”關系的有15個(災害間無先后順序,為表達一致,圖3中僅表示單向關系),該類災害關系數據主要來源于石家莊市山區地質災害、洪水和臺風等衍生災情,該組信息呈現出災害作用關系的模糊性,關聯較小但不能忽視。例如滑坡與崩塌2種災害,容易在極端天氣下同時襲擊某地,二者的并發會造成比單災種更嚴重的人力、財力損失,也會加大救援和疏散難度。

圖3 石家莊市多災種關聯框架Fig.3 Multi-disaster association framework in Shijiazhuang

4.3 多災種鏈式關聯網絡的構建

篩選出包含2類以上災害的樣本信息相對較少,選擇更具權威的數據源A得到的樣本可以總結石家莊市域范圍內發生過的災害鏈有2類,分別是“暴雨-泥石流滑坡-堰塞湖現象”災害鏈、“地震-崩塌-森林火災”災害鏈。具體的文本描述和作用關系的可視化如表2所示。使用點、線狀標識將鏈發過程表現在關聯框架中,呈現為石家莊市多災種的鏈式關聯網絡,如圖4所示。由于樣本數據的局限性,石家莊市2類以上災害鏈包含并不局限于上述2種,圖3所示框架內的2類災害關系組合均有可能以更長的鏈式反應發生于市域范圍內。

表2 石家莊市多災種鏈式關聯類型與可視化Table 2 Multi-disaster chain association types and visualization in Shijiazhuang

5 多災種關聯框架的應用拓展研究

對多種災害相互作用的評析和實證審查是理解多種災害情景的復雜性,進而理解風險的首要步驟,以實證為基礎的多災種關聯框架的構建方法能夠在不同的環境中復制和擴展,可以有效提高對復雜多災種環境的認識和對潛在鏈式災害的識別,從而為給定地區的風險降低和應對策略提供指導性信息。然而任何方法都有其適用范圍和限制條件,如表3所示為多災種關聯框架應用主題,體現出在研究層面本文框架的應用內容與局限性。

表3 多災種關聯框架應用主題Table 3 Application topics of multi-disaster association framework

6 結論

1)多災種的4種相互作用關系分別為:首次災害級聯觸發1次次生災害、首次災害易級聯觸發多次次生災害、災害之間相關或存在影響、災害之間相互獨立。

2)提出城市多災種關聯框架構建路徑,其可視化方式能夠快速識別災害之間的作用關系,進而提高對特定地區復雜的多重災害環境的認識,可為多災種風險應對和降低提供策略上的信息基礎。

3)多災種之間相互關系的可視化可應用于不同的地理環境,以生成對潛在危險相互作用的全面、系統、有證據地審查和整理,這種多災相互作用的可視化可作為城市綜合風險評估的基礎工作,但未來仍需要繼續探索表現和量化多災種關系的方法途徑,以全面、系統并以科學實證為研究開展原則,探討系統性的多災演化機制,進而有效地指導城市綜合風險評估以及防范策略。